CN105737651A - 机载间歇高热流密度的冷却相变换热器及其换热方法 - Google Patents

机载间歇高热流密度的冷却相变换热器及其换热方法 Download PDF

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施红
裴后举
高志刚
崔永龙
侯圣文
蒋彦龙
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Jiangsu University of Science and Technology
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Jiangsu University of Science and Technology
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes

Abstract

本发明公开了一种机载间歇高热流密度的冷却相变换热器及其换热方法，包括上下设置在壳体内并由隔板隔开的第一换热器和第二换热器，填充有相变材料的第一换热器中设有上下往复延伸的蛇形盘管，蛇形盘管的两端为热流体进口及热流体出口，设有冷流体进口及冷流体出口的第二换热器中设置穿过隔板竖直向上延伸至第一换热器的热管群。由于本发明换热器利用定向能武器间歇作战的特点，将定向能武器高热功率表面的热量在作战期间通过相变材料进行了能量存储，然后当高热功率表面处于非作战状态时，将相变材料吸收的热量慢慢进行散热，因此其设计是按照机载间歇热载荷的平均功率来设计的，因此相对于直接采用冲压空气作为冷源按照最大功率来设计的换热器来说，结构小、重量轻。

Description

机载间歇高热流密度的冷却相变换热器及其换热方法
技术领域
本发明涉及一种换热器，具体涉及一种冷却相变换热器及其换热方法。
背景技术
随着飞行器机动性能、隐身性能、防御性能要求的不断提高，高功率激光技术、电子元器件高度集成与微型化等技术得以迅速发展并逐渐成功运用到材料化学、天文探测等多个领域。近年来，世界各国为了获得航空及航天领域的跨时代优势，积极开展了下一代战机的研究工作。定向能武器为下一代战机的标配，是亟需攻克的关键技术堡垒之一。定向能武器的工作为间歇式作战方式，发射瞬间几秒内产生兆瓦级的热量，导致其表面产生极大的热载荷和极高的热流密度(热流密度可达数百W/cm2甚至数千W/cm2)。如此高的热流密度会降低激光光束的质量输出功率，导致设备发热功率不断升高，损毁激光介质。因此如何高效、可靠地解决机载定向能武器的快速散热成为提高其输出功率的瓶颈，对于提升我国下一代战机的作战能力具有重要的研究意义。
传统的散热方式无法解决高热流密度的有效散热。目前喷雾冷却是高热流密度电子设备冷却领域较有前途的冷却方式，然而尽管国外的相关机构对喷雾冷却系统进行了一定程度的研究，但是关于定向能武器的综合热管理系统研究较少，尤其是喷雾系统终端液体的冷却是个关键问题。飞机上传统的最终冷源是冲压空气及燃油，若按照最大功率设计换热器则换热器的体积相对较大、质量较重，因此一种针对喷雾冷却系统终端液体的结构紧凑、体积较小的换热器设计迫在眉睫。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结构紧凑、体积较小且吸热能力强的相变蓄热换热器。
技术方案：本发明提供了一种机载间歇高热流密度的冷却相变换热器，包括上下设置在壳体内并由隔板隔开的第一换热器和第二换热器，填充有相变材料的所述第一换热器中设有上下往复延伸的蛇形盘管，所述蛇形盘管的两端为热流体进口及热流体出口，设有冷流体进口及冷流体出口的所述第二换热器中设置穿过隔板竖直向上延伸至第一换热器的热管群。
所述第一换热器中设有翅片群，所述蛇形盘管和热管群穿过翅片群，故热流体通道来回穿越在相变材料中，并通过翅片群增强换热，增加了相变材料的吸热功率，同时翅片群起到了热桥的作用将盘管和热管群相连。
所述相变材料可以为有机物、无机物或复合物，优选的，所述相变材料为石蜡，选用石蜡好处为：一方面，相变潜热高，几乎没有过冷现象，熔化时蒸汽压力低，化学稳定性较好，自成核，没有相分离和腐蚀性等；另一方面一般目前定向能武器采用的冷却方案是水喷雾冷却，其出口的热水温度为50℃左右，因此相变材料的温度必须低于该热流体的温度；最后为了实现闭式循环，相变材料必须由冷源最后进行冷却，因此由于冷源一般是冲压空气和燃油，因此所选择的相变材料温度不能太低。
所述第二换热器中的热管群上设有翅片用以增强与冷源的换热。
所述第二换热器的冷源为空气、燃油或涡轮冷却空气中的一种或几种，取决于间歇热载荷的热流密度及相变材料的相变温度：当定向能武器高热功率表面经过某种冷却方案后的热流体温度相对较高，则可以将燃油作为一个热沉，带走一部分热量；当热流体的温度相对较低即燃油和热流体的温差较小，则采用燃油作为热沉其性价比不高，可以将冲压空气作为热沉；当热流体的温度更低时可以采用涡轮冷却空气。进一步，当采用以上的某一种不能满足能量平衡时，在满足条件的情况下可以采用多种冷源相结合的方式。
一种机载间歇高热流密度的冷却相变换热器的换热方法，当机载高热流密度电子设备或表面工作时，通过相变换热或对流换热将热量传递到热流体中，热流体通过热流体进口进入第一换热器的蛇形盘管，在流经蛇形盘管的过程中将热量传递到相变材料中，最后当机载高热流密度电子设备或表面处于非工作状态时，通过第二换热器中的热管群将第一换热器中的热量迅速传递给流入第二换热器中的冷源。
第一换热器中的翅片群充当热桥将蛇形盘管的部分热量直接传递给热管群。
有益效果：1、本发明换热器具有很强的吸热能力，能在短时间内吸收大量的热量进行存储，尤其适用于定向能武器这样间歇式工作的高热功率表面的散热系统；
2、由于本发明换热器利用定向能武器间歇作战的特点，将定向能武器高热功率表面的热量在作战期间通过相变材料进行了能量存储，然后当高热功率表面处于非作战状态时，将相变材料吸收的热量慢慢进行散热，因此其设计是按照机载间歇热载荷的平均功率来设计的，因此相对于直接采用冲压空气作为冷源按照最大功率来设计的换热器来说，结构小、重量轻。
附图说明
图1为本发明换热器的立体结构示意图；
图2为本发明换热器的侧视平面结构示意图；
图3为翅片群的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种机载间歇高热流密度的冷却相变换热器，如图1、2所示，包括分别设置在壳体6内上部和下部的第一换热器和第二换热器，第一换热器内填充有相变材料5，在本实施例中为石蜡，第一换热器和第二换热器之间由隔板隔开，防止第一换热器中的相变材料5泄漏到第二换热器中。为了增加相变材料5的吸热功率，第一换热器中设置有上下往复延伸的一根蛇形盘管7，蛇形盘管7的两端为热流体进口1及热流体出口3，若干层如图2所示的翅片群4水平的设置在第一换热器内，蛇形盘管7穿过翅片群4。第二换热器的两侧分别设有冷流体进口9及冷流体出口10，且第二换热器中设置竖直向上延伸并穿过隔板至第一换热器的热管群2，该热管群2也穿过第一换热器中的翅片群4，同时热管群2位于第二换热器中的部分上设有翅片帮助增强与冷源8的换热，冷源可选用空气。
上述机载间歇高热流密度的冷却相变换热器的换热方法，利用定向能武器间歇作战的特点，当机载高热流密度电子设备或表面工作时，通过相变换热或对流换热将热量传递到热流体中，该热流体通常为去离子水或者其他制冷剂。热流体通过热流体进口1进入第一换热器的蛇形盘管7，在流经蛇形盘管7的过程中通过翅片群4将热量传递到相变材料5中，且翅片群4此时起到了热桥的作用，可以将蛇形盘管7的热量一部分直接传递给热管群2，最后通过第二换热器中的热管群2将第一换热器中的热量迅速传递给流入第二换热器中的冷源8。故，在作战期间，相变材料5对热量进行了储存，而在高热功率表面处于非作战状态时，相变材料5吸收的热量可慢慢进行散热。

Claims (7)

1.一种机载间歇高热流密度的冷却相变换热器，其特征在于：包括上下设置在壳体内并由隔板隔开的第一换热器和第二换热器，填充有相变材料的所述第一换热器中设有上下往复延伸的蛇形盘管，所述蛇形盘管的两端为热流体进口及热流体出口，设有冷流体进口及冷流体出口的所述第二换热器中设置穿过隔板竖直向上延伸至第一换热器的热管群。
2.根据权利要求1所述的机载间歇高热流密度的冷却相变换热器，其特征在于：所述第一换热器中设有翅片群，所述蛇形盘管和热管群穿过翅片群。
3.根据权利要求1所述的机载间歇高热流密度的冷却相变换热器，其特征在于：所述相变材料为石蜡。
4.根据权利要求1所述的机载间歇高热流密度的冷却相变换热器，其特征在于：所述第二换热器中的热管群上设有翅片。
5.根据权利要求1或4所述的机载间歇高热流密度的冷却相变换热器，其特征在于：所述第二换热器的冷源为空气、燃油或涡轮冷却空气中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的机载间歇高热流密度的冷却相变换热器的换热方法，其特征在于：当机载高热流密度电子设备或表面工作时，通过相变换热或对流换热将热量传递到热流体中，热流体通过热流体进口进入第一换热器的蛇形盘管，在流经蛇形盘管的过程中将热量传递到相变材料中，最后当机载高热流密度电子设备或表面处于非工作状态时，通过第二换热器中的热管群将第一换热器中的热量迅速传递给流入第二换热器中的冷源。
7.根据权利要求6所述的机载间歇高热流密度的冷却相变换热器的换热方法，其特征在于：第一换热器中的翅片群充当热桥将蛇形盘管的部分热量直接传递给热管群。
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